天文太空

地球的奇異小夥伴──月亮

別習以為常而見怪不怪啦!我們地球的小夥伴──月亮,才真是奇異呢!你知道它打哪兒來的嗎?它又為何是這般行徑呢?

撰文/趙丰 ( Benjamin Fong Chao )

天文太空

地球的奇異小夥伴──月亮

別習以為常而見怪不怪啦!我們地球的小夥伴──月亮,才真是奇異呢!你知道它打哪兒來的嗎?它又為何是這般行徑呢?

撰文/趙丰 ( Benjamin Fong Chao )


讀完了30頁〈太陽系裡的搞怪衛星〉所述那些行徑詭異的「不規則」衛星,讓我們回頭看看我們中規中矩的乖寶寶衛星──月亮。


月亮真是那麼中規中矩的乖寶寶嗎?才不呢!它比起太陽系裡其他各式各樣的衛星,有著更多述說不盡的故事,只是我們多已習而不察了。在仰望著夜空中的月亮、遐想嫦娥玉兔的動人傳說之餘,月亮想告訴我們些什麼故事?


月有陰晴圓缺


首先,月亮還真圓。這是因為它本身的重力的結果──任何一個星體只要是質量大到某種程度,給予足夠的時間,它都會被自己的重力「吸垮」成球體的,這是物體趨向最低重力位能時必然的結果,這和那些不規則的小衛星是很不同的。


其次我們注意到:月亮有大約29天的圓、虧循環。古人不解其理,但現在我們知道,這是因為我們看到的月光,是月球對太陽光的反射。陽光照到的半球是亮的,另半球是暗的;圓虧的現象只是因為從地球觀察月球的角度每天不盡相同而已。不論看到是圓是虧,根據圓虧的形狀,我們可以結論出:月球一定是個球形(而不是扁盤狀或其他形狀)。月虧部份也完全在視線之內,只是太暗看不出來罷了。(天清氣朗的時候,有時確實可隱約看出月虧部份的輪廓,這是「地照」造成的。地照是地球反射太陽光到月球,再次反射回地球而被我們看到的光。)


將地–月系統繞太陽公轉這個因素考慮進去,月球繞地球一圈的週期實際上是27.3天。於是根據牛頓萬有引力定律,可推算出月球離地球約是38萬公里,相當於大約地球半徑的60倍。再由月盤在空中的大小,就可推知月球的半徑約1700公里,在太陽系諸多衛星中算是大號的,甚至比冥王星還大些。相對於地球(半徑約6300公里)而言,月亮就像是個小夥伴,而不像「大西瓜小葡萄」的關係。(這種夥伴關係另一個更突出的例子,是冥衛一相對於冥王星,它們幾乎可以說是一個雙星系統了。)


與地球相互牽絆


再接著,你注意到月亮面孔基本不變──它永遠是以同一面朝著地球。用術語來說,就是它的自轉週期和公轉週期完全一樣,也是27.3天。(反之,地球並不是這樣──從月球上看,地球可是一天一圈轉得頗快的。)這公、自轉同步現象,是巧合嗎?完全不是。實際上,1970、1980年代以來對外行星的探測,早已確定幾乎所有較大的衛星都是公、自轉同步的。這原因早在19世紀就由物理學家揭露了。原來相靠近的星體間都存在潮汐力(潮汐力是星體甲對星體乙的重力,在星體乙不同部位的重力差值)。由於星體既不是剛體也不是完全彈性體,結果因潮汐有摩擦的現象,自轉動能就不斷地被消耗掉(變成熱能散失)。對地球老大哥來說,月球造成的潮汐摩擦並不是很嚴重,只是讓我們的日長(現在是24小時)長期而緩慢地變長,目前一個世紀僅增加1~2毫秒。但對月球小老弟而言,地球對其產生的潮汐磨擦強到早已讓月球「停擺」了!停擺的結果,就是我們所見的月面孔不變。其實這又是一個物體趨向最低重力位能的例子。(由於動力及幾何關係,我們見到的月面,其實是有極小幅度的擺動,好似月亮朝我們輕微地搖頭。可參見http://astronomy.nmsu.edu/msussman/PhasesofMoon/01.html網站上十分傳神的影片。)


說起巧合,你可能又注意到:空中的月盤和日盤幾乎一般大小。事實上你也知道:日食的時候,月盤剛好滿滿遮住日盤(僅有在日環食的場合稍稍露出邊圈)。這只是因為它們的直徑和距地球距離的比例,正好一樣,這確屬巧合。事實上,也正由於前述的潮汐摩擦現象,月球其實是以每年約3~4公分的速度離地球遠去,所以遠古時期月盤比現在大,而將來會比現在逐漸小去。


藉由這項巧合,倒還得到了另一個有趣的結果。原來我們前面提到的潮汐力,是與日或月對地球距離的三次方成反比,又與日、月的質量成正比,而後者又與日、月直徑的三次方成正比。最終計算出的結果是:日或月對地球上造成的潮汐大小是差不多的。只不過因為月球的密度較太陽大些,所以月潮大約是日潮大小的兩倍左右;這是大家在了解潮汐的成因時,都已經熟知的。


探索月球的身世


最後,要真正了解月亮,仍須從它的身世說起,這就不是顯而易見的了。月亮是打哪兒來的?100多年以來,天文、物理學家曾經產生過三派理論。一是「親子說」:月球是早期的地球在快速旋轉之下,甩出去的一部份。此說由達爾文(George Darwin,是演化論之父達爾文的兒子)於1878年提出。二是「手足說」:月球是和地球同時分別由重力凝聚成的。此說的代表人物是羅希(Edouard Roche, 1820~1883)。三是「配偶說」:月球是在太陽系中其他地方形成,很早以前碰巧行經地球附近而被地球重力捕捉住的。這想法早在1664年就見於笛卡兒(Rene Descartes)的著作(當時他已過世);1909年由席伊(Thomas See)提出。這些說法的機制,都得靠重力和旋轉離心力間的互動配合。要讓這些機制成立,卻老是困難重重、漏洞層出。「親子說」還延伸出一說──太平洋就是月球甩出後留下的疤痕。這後來也被推翻,因為近代地球板塊運動研究發現,太平洋(其他大洋也如是)非常年輕,只有不到一億歲。


1960年代飛繞著月球的太空船又發現:月球平均密度約3.3g/cm3,只有地球的60%;顯然基本上全屬岩石質,而不像地球那樣有個碩大的鐵質核心。隨後在NASA的阿波羅(Apollo)計畫中,太空人六次登月採回了月岩標本,顯示月岩和地岩之間的某些相似性及相異性,這些都令前述三種說法雪上加霜,愈發站不住腳。例如,月球沒有鐵核心,所以很難讓「手足說」和「配偶說」成立;月岩化學成份與地球地函成份的總體差別,又很不利於「親子說」;而兩者岩石氧元素同位素比率的相近,也難以解釋。


1970年代,開始有科學家另闢蹊徑──月球會不會是地球遭其他星體大撞擊的後果?1980年代科學界逐漸認識、並重視了宇宙中的大撞擊事件。多方估算之下,月球的大撞擊產生說愈戰愈勇,而正式登堂入室。1990年代裡,大型電腦開始普及。在這虛擬的世界裡,大撞擊的整個過程終於得以成功根據物理原理和數學運算模擬出來──月球在電腦裡被「複製」產生了!


回到46億年前,太陽系剛形成的初期,渾沌初開,大大小小的行星體在物質重力凝聚之下逐漸成形,包括地球的前身,熔融的鐵質「沉」入地心成為鐵核。那時候重力秩序未定,群雄兼併,大小撞擊事件是常態。就有那麼一次,一個大如今日火星大小的行星竟然和地球撞個滿懷。該行星由於比地球小一號,被撞成粉身碎骨,混入地球外層被撞出的物質。這些物質大部份都落回那殘缺的地球,一小部份逃逸外太空,其餘大約1/4~1/2的物質則飛入(或可說被「捕捉」或「陷」入)地球近周的軌道裡,好似今日土星的環。經過重力的作用,地球的創傷逐漸癒合,而軌道環裡的碎物質也逐漸凝聚(這過程雖經千百萬年,但也只是宇宙間的一瞬),成為我們今天的月球。


這個學說一舉完善而且大幅度符合了幾乎所有重要的已知數據。過去困擾著其他理論的反面證據,倒都成了大撞擊理論的正面佐證,包括之前所述,月球上密度較低的岩石物質、與地球相異的化學成份,以及為什麼月球是這麼大。甚至包括眾人一直百思不得其解的其他困惑,例如地–月系統的總角動量為什麼這麼大,地球的自轉為什麼是「斜」的。(赤道面偏離黃道面多達23.5度,原來是給「撞歪」了的!)


常聽人說,自人類探月以來,看到的是它滿目瘡疤、溫度極端的蒼涼世界。人類揭開了月姑娘的神秘面紗,卻對月姑娘的美麗遐想從此斷滅。我倒覺得正好相反。遐想是主觀、表面的;而科學探索迎來的,卻是一章又一章更耐人深思、浩瀚的自然之美,等你去了解、去發現。這不是更令人激動嗎?下次你仰望明月時,會不會引起更豐富、更深刻的遐想呢?


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